電動汽車驅動控制策略研究綜述

伍岳，仇磊

（重慶交通大學，重慶 400074）

行業研究

電動汽車驅動控制策略研究綜述

伍岳，仇磊

（重慶交通大學，重慶 400074）

驅動系統是電動汽車研制的關鍵技術之一，它直接決定電動汽車的性能。矢量控制通過坐標變換將定子電流矢量分解為轉子磁場定向的兩個直流分量并分別加以控制，從而實現異步電動機磁通和轉矩的解耦控制，達到直流電動機的控制效果。直接轉矩控制，并不需要觀測轉子磁鏈，它基于定子磁場控制磁場定向以轉距作為被控量，思路清晰，手段直接。本文根據電動機矢量控制及直接轉矩控制理論，結合電動汽車的實際要求，對其的現狀及優缺點進行了分析及說明，介紹了改進的控制措施及發展趨勢。

電動汽車；矢量控制（DSC)；直接轉矩控制(DTC)；PWM；模糊控制；零電壓矢量控制

CLC NO.:U469.72Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-01-07

1、引言

隨著環境問題，能源問題的凸顯，以傳統能源為燃料的汽車，無論在能源的消耗上，還是排放的指標上已經收到挑戰。我國所面臨的環境問題、能

源問題同樣相當的嚴重。隨著汽車保有量的提高，對石油的需求也逐步增加，導致我國的石油供應已供不應求。另一方面，汽車持有量的增長對環境造成了一定的破壞，汽車排放的尾氣中含有大量氮氧化物，硫化物，二氧化碳，會導致酸雨，臭氧層破壞，并加重溫室效應。與此同時，電動汽車及混合動力汽車的發展得到了強烈的關注，而電動汽車及混合動力汽車的組成包括：電力驅動及控制系統、驅動力傳動等機械系統、完成既定任務的工作裝置等。電力驅動及控制系統由驅動電動機、電源和電動機的調速控制裝置等組成。電力驅動及控制系統是電動汽車的核心，也是區別于內燃機汽車的最大不同點。這其中，驅動電機的控制算法研究又是驅動電機研究的重中之重。以此為背景，本文嘗試對該領域內主要的觀點及方法進行歸納，并梳理其理論邏輯。

2、研究進展

2.1 總體研究狀況

電動機調速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設置的，其作用是控制電動機的電壓或電流，完成電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。

早期的電動汽車上，直流電動機的調速采用串接電阻或改變電動機磁場線圈的匝數來實現。因其調速是有級的，且會產生附加的能量消耗或使用電動機的結構復雜，現在已很少采用。目前電動汽車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過均勻地改變電動機的端電壓，控制電動機的電流，來實現電動機的無級調速。在電子電力技術的不斷發展中，它也逐漸被其他電力晶體管（GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斬波調速裝置所取代。從技術的發展來看，伴隨著新型驅動電機的應用，電動汽車的調速控制轉變為直流逆變技術的應用，將成為必然的趨勢。

在驅動電動機的旋向變換控制中，當采用交流異步電動機驅動時，電動機轉向的改變只需變換磁場三相電流的相序即可，可使控制電路簡化。此外，采用交流電動機及其變頻調速控制技術，使電動汽車的制動能量回收控制更加方便，控制電路更加簡單。

電驅動子系統的軟件設計主要是對交流異步電機的調速算法的實現。一個性能優良的驅動系統，必然要滿足以下幾個指標:首先就是快速性，即電機驅動算法要具有快速反映特性，使電機對任何一個參數的改變做出迅速的反映，這對行車安全是非常重要的；其次是平穩性，即電機驅動算法的轉距脈動要比較小，尤其是在啟動、制動或參數變化時。

矢量控制算法是模仿直流電動機的控制，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法，實現了對交流電動機的轉速和磁鏈控制的完全解禍。這種算法的優點是，利用矢量變換，實現仿直流電動機的控制，從理論上使交流調速系統在靜、動態性能上與直接傳動相媲美。但是這種算法也存在著不可忽視的缺點，即矢量變換在運算上十分復雜，不易于實現；系統參數受電機參數影響較大。

直接轉距控制算法，與矢量控制算法不同，它并不需要觀測轉子磁鏈，它基于定子磁場控制磁場定向，這樣就大大減小了電機參數的影響；另外，直接轉距算法直接以轉距作為被控量，思路清晰，手段直接。

2.2 驅動控制算法的研究

2.2.1 矢量變換控制

交流感應電動機的矢量變換控制(通常簡稱矢量控制)是德國學者Blaschke等人于1971年首先提出的。矢量控制成功地解決了交流電動機電磁轉矩的有效控制，得以像直流調速系統一樣，實現了交流電動機的磁通和轉矩的分別度量控制，從而使交流電動機變頻調速系統具有直流調速系統的全部優點。

交流感應電動機的矢量變換控制是以產生同樣的旋轉磁場為準則，建立三相交流繞組電流、兩相交流繞組電流和在旋轉坐標上的正交繞組直流電流之間的等效關系，從而可以按直流電動機的控制規律來控制交流電動機。也就是說，矢量變換控制的基本想法是要把交流電動機模擬成直流電動機，能夠像直流電動機一樣來進行控制。

圖2-1是應用矢量控制算法的電驅動系統的總體結構框圖。該算法的基本思想是檢測定子電壓us和電流is，通過電機模型和矢量變換計算(定子兩相坐標系和轉子兩相坐標系間的電角度)，勵磁電流分量im，和轉矩電流分量it，然后將后兩者分別與勵磁電流給定值img和轉矩電流給定值itg進行比較。再將比較后的結果通過PI調節器轉變成兩相定子電壓設定值umg和utg。將這兩個值通過矢量變換變成定子電壓值，再選擇合適的電壓開關狀態，發出對應的PWM(Pulse Width Modulation脈寬調制，簡稱PWM)驅動信號，送往IGBT模塊，驅動交流電機工作。

在分析交流異步電動機的數學模型時，往往引入三個異步電動機坐標系：定子坐標系(三相A-B-C和兩相α-β坐標系)，轉子坐標系(三相a-b-c和d-q兩相坐標系)和同步旋轉坐標系(M-T坐標系)。

在M-T坐標系中，M軸與轉子磁鏈φr重合，M-T坐標軸系以同步角速度ωs旋轉，θ為φr與靜止α軸之間的角度，其表達式為：2/3變換得到三相電流控制量iA,iB,iC,記為,,用其來控制三相異步電動機的運行。這個

過程是開環控制，如果采用閉環控制，則測量三相交流電流iA,iB,iC，用作反饋控制量，和三相電流控制量，，構成閉環，控制電機運行。

三相定子電流iA，iB，iC經過兩次坐標變換(第一次變換得到α-β坐標系下的iα和iβ)得到M-T坐標系下的isM和isT：

矢量控制的基本思想如圖2-2所示。在異步電動機的外部，把勵磁電流分量isM和轉矩電流分量isT作為控制量，記為和，然后通過矢量變換得到兩相交流控制量iα和iβ，記為和，再通過

矢量控制算法是模仿直流電動機的控制，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法，實現了對交流電動機的轉速和磁鏈控制的完全解禍。這種算法的優點是，利用矢量變換，實現仿直流電動機的控制，從理論上使交流調速系統在靜、動態性能上與直接傳動相媲美。但是這種算法也存在著不可忽視的缺點，即矢量變換在運算上十分復雜，不易于實現；系統參數受電機參數影響較大。

2.2.2 直接轉矩控制

直接轉矩控制技術是繼矢量控制之后又一高性能的交流變頻調速技術，由德國Depenbrook教授和日本學者Takhaashi分別提出的關于這一控制技術的開創性方案，雖然在理論推導和實現方法上有所不同，但是基本思想是一致的，即放棄了矢量控制中電流解禍的控制思想，去掉了PWM脈寬調制器和電流反饋環節，通過檢測母線電壓和定于電流，直接計算出電機的磁鏈和轉矩，并利用兩個滯環比較器，直接實現對定于磁鏈和轉矩的解耦控制。

根據研究直接轉矩控制具有以下特點：

1.直接轉矩控制是對轉矩和磁鏈的閉環控制，不需要電流閉環；

2.直接轉矩控制需要估算轉矩和定子磁鏈，因此對電機轉子參數不敏感；

3.本質上，直接轉矩控制是一種無速度傳感器的控制方法；

4.直接轉矩控制結構簡單，魯棒性好，其控制

性能依靠對定子磁鏈和轉矩的準確估算。

在大功率、低速的驅動系統中，直接轉矩控制有其獨特的優勢，并且，在逆變器輸出方波電壓的弱磁區域中，直接轉矩控制可以快速、有效地控制轉矩，因而直接轉矩控制適合控制車輛。

圖2-3是應用直接轉矩控制方法的電驅動系統的總體結構框圖，如圖所示，該方法需要檢測定子電壓us和電流is，然后計算出定子磁鏈Ψs和電磁轉矩Te，通過與給定的定子磁鏈Ψsg和給定的轉矩Teg進行比較，獲得轉矩和磁鏈的控制信號，再根據該信號查找對應的電壓開關表，發出對應的PWM驅動信號，送往IGBT模塊，驅動交流電機工作。

在靜止的兩相坐標系下(其直軸a軸在定子A相軸線上)異步電機定子磁鏈和電磁轉矩的計算式為：

σ——漏感系數

ωr——電機轉速

Ts——電機轉子時間常數

usis—— 定子電壓、定子電流

RsRr——定子、轉子電阻

ΨsΨr——定子磁鏈和轉子磁鏈

Ls，Lr，Lm——定子、轉子自感和互感

由式(2-12)可見，定子磁鏈和轉子磁鏈之間有一個慣性環節，這就使得定子磁鏈發生變化時轉子磁鏈矢量基本上保持不變。因此，只要改變定子磁鏈矢量的空間位置就可以很容易地改變定、轉于磁鏈之間的夾角。同樣，根據式(2-14)可以看出，電機的電磁轉矩也很容易被改變。由式(2-11)可以看出，若忽略定子電阻的壓降則定子磁鏈是隨著電壓矢量的方向運動。

對比于矢量控制技術其特點及優勢在于，通過合理地控制定子電壓矢量不僅可以控制定子磁鏈幅值的大小，而且可以控制定子、轉子磁鏈的夾角，進而直接對轉矩進行控制而不需要像在矢量控制中那樣通過控制定子電流來對轉矩進行間接控制。

2.2.3 存在的問題

綜合兩類算法的實現來看，兩種驅動系統都需要供電電路(即主電路)、算法計算部分、PWM發生器和電機運行狀態信號量采集模塊(采集定子電壓和電流)。 如今的主流控制策略為：在以上分析控制器性能指標及其功能要求的基礎上，以設計矢量控制算法和直接轉矩算法的控制器為目標，并在控制參數的處理上采用傳統PID控制策略，如上所述，組成矢量控制PID算法或直接轉矩法。

但車輛在行駛的過程中，環境阻力的變化具有不可預知性和巨大的非線性變化等特點，且傳統控制策略，在復雜條件下的控制中具有一定的滯后性，對驅動系統的相應速度產生影響，如直接轉矩算法中更是具有大慣性環節，雖有較好的魯棒性，但在復雜的變化輸入中，調節起來非常不靈活。而且，在實際的過程中，根據不同的路況，車輛要頻繁的改變速度，對調速的精確性及快速性提出了更高的要求。再有，基于傳統的PID控制的矢量或直接轉矩控制，在控制信號的輸出上不具有連續性及預測性，會對汽車行駛中的舒適性帶來影響。同時，直接PID控制還對電機在運行過程中的節能不利。

由此可見，常規的直接基于PID的矢量控制或直接轉矩控制的驅動控制策略，在實際中難以得到

滿意的控制效果。因此，針對這種情況，出現了將其他方法引入到電機驅動控制之中，并與之結合成新的控制策略，完善電機驅動控制算法。

2.2.4 解決方案

2.2.4.1 基于DSC的模糊化矢量控制

冉振亞[21]，提出了基于直接速度控制(DSC),采用矢量控制技術結合模糊PID控制策略對交流感應電機驅動系統進行控制。希望能夠調整電機磁通來保證電機完成特定的運行, 又要注意電機的工作效率，獲得快速動態響應和精確的控制。

矢量控制中，采用DSC 進行處理，它只用到感應電機定子的電阻，從而使得控制器對系統參數變化不十分敏感，保證系統高的魯棒性。在定子直接自動控制中，最終是以力矩偏差、磁通偏差和磁通角來確定逆變器的開關狀態。無論是力矩偏差還是磁通偏差，都用一定范圍的值來衡量，并稱為/ 太大0、/ 太小0等。/ 太大0、/ 太小0等都是語言變量值。因此，在直接速度控制中，把力矩偏差、磁通偏差和磁通角用模糊量來表示，而采用模糊控制的方法去求取開關狀態，這比采用傳統的數字PID控制方法更適合于實際情況。

模糊控制的基礎是模糊控制規則集，模糊控制規則是實踐經驗的總結, 它由若干模糊條件語句組成，如P=ZL, 則不論B為何值，都應使偏差迅速降低，故C=ZL( IF B and P, then C) 。分析總結得出的模糊控制集如圖2-4所示。

(X 表示不可能出現的情況，P 偏差的模糊量，B 偏差變化率的模糊量及C控制量的模糊量，ZL正大，ZM 正中，ZS 正小，ZO 正零，FL 負大，FM 負中，FS 負小，FO 負零)電動車是多變量輸入，且難以用一個準確的數字模型來描述，如腳踏加速板給出的信號與車速的關系, 它不僅與路況有關,還與環境有關, 同時與蓄電池當前儲能狀況有關,這些難于用數字模型表示的系統, 用模糊邏輯控制很容易解決。采用模糊控制器對感應電機進行矢量控制就形成了交流感應電機模糊矢量控制系統。在對信號進行模糊推理，即在模糊數據庫中完成規則推理后，在反模糊化輸出矢量控制參數。當具有某一變量及其微分參數時，模糊控制可具有一定的預測控制能力，有效解決了電機調速的連續性問題。且對于其他變量的綜合分析及判斷，進一步完善調速性能提供了可能。

2.2.4.2 基于DTC的零電壓矢量控制

林成武[13]，研究了電動汽車用永磁同步電機(PMSM)直接轉矩控制（DTC）系統中電壓空間矢量選擇原則，提出控制系統中引入零電壓矢量的方法。并進行了低速下的實驗研究，取得了較好的控制效果。考慮到零電壓矢量在一個控制周期內具有使電磁轉矩輕微下降的作用，如果幾個控制周期內連續應用零電壓矢量,則同樣會達到同非零電壓矢量在一個控制周期內同樣效果的電磁轉矩降落。基于上述分析，他提出如下適合于電動汽車用PMSM DTC的電壓空間矢量選擇策略。當PMSM DTC系統處于動態情況時，僅用6個非零電壓空間矢量參與調制，而對于穩態下的DTC系統，應用零電壓矢量參與調制。這樣能夠在保證DTC系統良好動態性能的同時，有效降低系統穩態時的損耗。電動汽車驅動系統的一個重要要求就是滿足電動汽車頻繁啟動的特性,而在實際數字控制系統中，磁鏈會經常處于分區邊界處的一個小扇區內，造成電壓矢量選擇的不確定性，利用零電壓矢量控制可一定程度上的減少這種情況。

2.2.4.3 基于DTC的SVPWM控制

馮曉云[31]，分析了傳統直接轉矩控制系統的模型實現，并認識到系統存在一定的缺憾，即開關頻率的不可控性。這樣，由于開關頻率的不可控造成的開關損耗，產生了不必要的浪費。另外，由于滯環控制的存在，傳統開關表的電磁轉矩和定子磁鏈控制，是限定在一定范圍內的，即使滯環上下限很小，但仍然存在誤差。因此，在傳統直接轉矩控制的基礎上，采用空間矢量脈寬調制 (SVPWM)算法替代了開關表控制，實現了開關頻率的可控性。該系統中，定子磁鏈與轉矩的估算方法與傳統開關是一樣的,將給定轉速與反饋轉速的差值送入速度PI調節器得到給定轉矩，將給定轉矩與估算得到的反饋轉矩一起送入轉矩PI調節器得到預期的定子磁鏈與反饋定子磁鏈之間的角度差值。這樣，與反饋的定子磁鏈夾角相加得到預期定子磁鏈夾角。將定子電壓預測模塊所需要的各變量送入模塊，通過計算得到兩相靜止坐標系下預期電壓矢量的αβ軸各分量和，送入SVPWM控制模塊得到一系列的脈沖來控制逆變器開關，進而得到電機所需的電壓值，從而控制電機輸出轉矩與轉速。該算法能使電動汽車驅動電動機從恒轉矩區平滑過渡到恒功率區運行，充分發揮電動機的弱磁擴速性能，以及具有起動轉矩大等優點。同時，可以提高電磁轉矩與磁鏈控制的精確性，提高了控制系統的穩定性和精確性，有效的改善了控制效果。

加入SVPWM控制的直接轉矩控制系統框圖如下：

3、結論及展望

電動汽車作為機械、電子、能源、計算機、汽車、信息技術等多種高新技術的集成，是典型的高新技術產品，其最終目標是實現智能化、數字化和輕量化。隨著更為先進的控制策略的產生及應用，控制系統趨于智能化和數字化。就電機驅動控制領域而言，控制策略的智能化及復雜化必然會成為未來的發展趨勢。本文僅對模糊化PID控制策略,零電壓矢量控制策略，SVPWM控制策略在電機驅動領域的創新應用進行了介紹。但這些并不能完全代表在電動車電機驅動領域的所有發展狀況。相信在不久的將來，我們可以看到更多更先進的控制理念及方法，如變結構控制、模糊控制、神經網絡、自適應控制、專家系統、遺傳算法等非線性智能控制技術，都將各自或結合應用于電動汽車的電機控制系統。它們的應用將使系統結構簡單，響應迅速，抗干擾能力強，參數變化具有魯棒性，可大大提高整個系統的綜合性能。

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Summary of electric vehicle drive control strategy

Wu Yue, Qiu Lei
(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074)

Drive system is one of the key technologies for electric vehicles developed, which directly determines the performance of electric vehicles. Vector control through the stator current vector into the rotor field oriented coordinate transformation both DC and controlled separately, in order to achieve decoupling control asynchronous motor flux and torque, to control the effect of DC motor. Direct Torque Control, does not require the rotor flux observation, which is based on the stator magnetic field oriented control to turn away as the amount charged, clear thinking, means straightforward. According to motor vector control and direct torque control theory, combined with the actual requirements of electric vehicles, their current situation and explain the advantages and disadvantages are analyzed and introduced improved control measures and trends.

Electric cars；Vector Control (DSC)；Direct Torque Control (DTC); PWM；Fuzzy Control；Zero voltage vector control

U469.72

A

1671-7988(2014)03-01-07

伍岳，就讀于重慶交通大學。